LTE TDD系統中下行HARQ機制的研究*

陳發堂，萬 翠，樊 璽

（1.重慶郵電大學重慶市移動通信技術重點實驗室 重慶400065；2.電子科技大學 成都611731）

1 引言

在LTE系統中，針對無線信道時變和多徑衰落對信號帶來的傳輸錯誤，LTE系統采用了HARQ技術，其中涉及物理層和MAC（媒體接入控制）層。在每個TTI（傳輸時間間隔）內，物理層會向空中接口發送一個或者兩個TB（傳輸塊）。如果該傳輸塊沒有被接收端正確解碼，那么該傳輸塊將會重傳，同時接收端會將錯誤解碼的TB保存。當接收端接收到該重傳的TB，會將之前傳輸的TB和這次的TB合并，以增加解碼的正確性。在采用IR（增量冗余）的HARQ機制中，重傳的TB會包含一些初始TB中沒有的冗余信息，然后進行軟合并。當傳輸次數增加時，合并后的碼字冗余信息逐漸增加，獲得碼字合并增益。

LTE系統提供兩種雙工方式：一種是頻分雙工（frequency division duplexing,FDD），另一種是時分雙工（time division duplexing,TDD）。在FDD模式中，上行子幀和下行子幀在頻域上是獨立的，并且HARQ RTT是固定的。然而在TDD中，上下行子幀在時域內是獨立的，其中，TDD的幀結構如圖1所示。一個10 ms的無線幀由上行子幀、下行子幀和特殊子幀構成[1]。特殊子幀包含3個部分：DwPTS（下行導頻時隙）、GP（保護間隔）、UpPTS（上行導頻時隙），其中GP是用作上下行子幀轉換的保護間隔。DwPTS可以發送下行數據，而GP和UpPTS則不能發送數據。TDD支持7種不同的上下行和特殊子幀的配置[1]，見表1（D代表下行子幀，S代表特殊子幀，U代表上行子幀）。特別是在下行HARQ過程中，由于在有的上下行子幀配置中，下行子幀會比上行子幀多，因此同一個上行子幀上會包含著幾個下行HARQ的反饋信息。幾個下行HARQ的反饋會以捆綁或復用的方式在同一個上行子幀上傳輸，這樣TDD模式下HARQ RTT就會比FDD模式下的長。當網絡側發送系統消息或者廣播消息時，接收端如果解碼錯誤，網絡側會為了避免重傳數據的沖突而調整重發數據的時刻。這樣，下行異步HARQ的重傳可能發生在任意時刻，因此，并不能保證固定的RTT。

表1 上下行子幀配置

當重傳發生時，HARQ RTT增加，則數據分組的傳輸延遲，如果最先收到負反饋的HARQ進程具有最高的重傳優先級，則此時HARQ RTT將會得到最小化[2]。在上述準則的基礎上，提出了一種根據不同的上下行子幀配置最小化重傳時間的方法。

2 HARQ實體

MAC層 控制著HARQ實 體 的運行[3]，HARQ實體維 持著一定平行數量的HARQ進程，上層數據被組裝成MAC PDU后，封裝至HARQ進程中。下行HARQ過程的發送是通過上行反饋（ACK或NACK）、新數據指示（NDI）、下行資源分配和下行數據重傳來完成的。下行HARQ示意如圖2所示。

2.1 下行HARQ進程設計

HARQ進程的狀態可分為空閑狀態、準備狀態和傳輸狀態，如圖3所示，存儲在HARQ實體里的TB被發至空閑狀態的HARQ進程中，則該進程的狀態轉至準備狀態；當TB被物理層發至PDSCH（物理下行共享信道）時，則該進程的狀態轉至傳輸狀態；當該進程收到一個HARQ負反饋時，又會返回至準備狀態，準備進行重傳；如果收到正反饋，則狀態轉至空閑狀態。

2.2 同步HARQ和異步HARQ

在上下行HARQ過程中，接收端收到HARQ反饋的時刻都是固定的。但另一方面，接收到HARQ負反饋時，進行重傳的時間是不同的。對于上行同步HARQ來說，重傳的時間是固定的；對于下行異步HARQ來說，為了增加調度的靈活性，重傳的時間是不固定的，有可能發生在任意時刻，由網絡側調度。如圖4所示，說明了在上下行配置為4時的重傳過程。以進程2為例，當所有的進程都被占用時，如圖4（a）所示，收到反饋的時刻是子幀2，重傳時刻是子幀8；當部分進程被占用時，如圖4（b）所示，重傳時刻為子幀6，相比之下，時延減少了，相應地，子幀4的HARQ RTT也被減小。

2.3 下行HARQ反饋

在下行HARQ過程中，上層數據在MAC層被組裝成MAC PDU，然后被保存在位于MAC層的HARQ進程中。之后，MAC PDU會通過HARQ進程發送至物理層。這里，一個MAC PDU對于物理層來說，是一個TB。物理層通過PDSCH在下行子幀n-l上發送TB至空中接口。接收端在接收到HARQ進程數據后，會通過PUCCH（物理上行控制信道）或者PUSCH（物理上行共享信道）在上行子幀n上發送HARQ反饋。其中，n和l的值見表2[4]。

由于不同上下行子幀配置下的上下行子幀的個數不同，導致在下行子幀多于上行子幀的情況下，幾個下行子幀的反饋會被捆綁或復用到同一個上行子幀上，因此，在接收反饋后重傳的時間將會高于FDD模式下的重傳時間，HARQ RTT也會相應地增加。

表2 TDD下行相關索引集合L：{l0，l1，…，lM-1}

3 下行HARQ RTT算法設計

3.1 HARQ重傳原則

在接收到HARQ反饋之后，如果收到的是負反饋，則需要進行重傳。對于重傳時刻的確定，考慮到兩種情況：一種是當所有的下行子幀都被HARQ進程占用時，重傳時刻是固定的，此時的情況可以理解為同步HARQ，子幀n的重傳時間可由表3中的k′確定；另一種是只有部分下行子幀被占用時，若當前子幀為n，那么之前接收對應的HARQ反饋的時刻為n-k。k′的值見表3，且kmin為網絡側處理上行數據時延，大小為4 ms[5]。

在子幀n上傳輸的進程的最小HARQ RTT可根據以下步驟獲得。

（1）網絡側假定根據表3在子幀n-k上收到HARQ反饋。

（2）根據表2檢測是否在子幀n-k-l上存在和子幀n-k的反饋相對應的PDSCH。當網絡側在檢測時，l是按照遞減的順序進行的，這樣就能保證最先收到HARQ反饋的進程優先得到重傳。

（3）如果子幀n-k上沒有收到HARQ反饋，則k值遞減，并重復上述過程。

最終，HARQ進程號和相應的HARQ重傳時刻可以根據當前子幀n得到確定。在這個過程中，網絡側需要同時考慮幀號和子幀號。

3.2 實現步驟

根據上述原則設計出的HARQ的方案如下。

（1）首先為每個HARQ進程設計參數：HARQ緩沖域標志hharq，反饋ffeedback，當前子幀ncursubframe。

每個HARQ進程有一個緩沖域，hharq為1時表示該進程被占用。ffeedback用于接收上次發送下行數據時的反饋。ncursubframe用于記錄該進程發送數據時的下行子幀。

（2）如果子幀n收到HARQ反饋，首先掃描所有hharq為1的進程，如果ncursubframe=n-l，則將該進程的ffeedback設置為收到的ACK或NACK。

（3）對于ffeedback為ACK的進程，MAC層將該進程清空，即置hharq為0。對于ffeedback為NACK的進程，首先對這些進程按l從大到小進行排序，然后確定每個進程的重傳時刻nnextsubframe，則每個進程的RTT為nnextsubframe-ncursubframe。

在下行數據傳輸過程中，數據以多個并行的HARQ進程為載體向下層傳輸，不同的數據速率會導致處于傳輸狀態的HARQ進程數目的增加，但當速率增加到一定程度時，所有的HARQ進程都被占用，相應的下行子幀也被占用，此時的HARQ RTT是固定的。不同配置下，上下行子幀的不對稱性導致HARQ RTT也有所區別。下面進行具體分析。

表3 同步HARQ下的子幀n的重傳等待時間

4 仿真結果

在LTE TDD系統中，首先分析了HARQ機制，并從上下行配置方面分析了同步HARQ和異步HARQ的HARQ RTT。數據的到達服從隨機的泊松分布，并以一定速率被發往HARQ實體。不同HARQ利用率下的HARQ RTT如圖5所示。

以配置5為例，當全部HARQ進程都被占用時，為同步HARQ，此時HARQ RTT為16.6 ms，而異步HARQ的RTT要小于同步HARQ。在異步HARQ過程中，當多數HARQ進程處于空閑狀態時，將會減小收到反饋與重傳之間的時間間隔，因此HARQ RTT也會減小。當數據的速率較大時，處于空閑狀態的HARQ進程不存在，也就是說所有的進程都被占用，進程的重傳時間是固定的，就演變成了同步HARQ過程，在HARQ RTT方面，二者不存在區別。

此外，當上下行配置為5時，下行子幀和上行子幀的個數比例達到最大；而配置為4和2時，比例減小，且配置為5時的HARQ RTT比配置為4和2時的大。原因如下，當下行子幀和上行子幀的比例較高時，在同一個上行子幀會傳輸多個下行子幀的HARQ反饋，因此HARQ RTT會隨著復用HARQ反饋的個數而增加。但配置為4和2時，二者的上下行子幀個數配比是相同的，但是因為配置4的上下行轉換點為周期10 ms，因此其HARQ RTT要大于轉換點周期為5 ms的配置2的HARQ RTT。此外，上下行配置為0時是例外的，其HARQ RTT是固定的，這是由協議規定的。因此，可根據應用不同的上下行配置來調節HARQ RTT，從而改善HARQ的性能，滿足業務需求。例如，在下行業務量較大并且對時延要求不高時，可選擇配置5，比如在訪問網絡下載視頻的情況下；但如果在上下行配比相同的情況下，選擇上下行切換點周期為5 ms的配置可減小下行時延。

5 結束語

本文針對LTE TDD系統下行異步HARQ過程中RTT的問題，提出了一種通過網絡側應用不同的上下行配置而最小化HARQ RTT的方法，并從HARQ RTT方面分析了同步HARQ和異步HARQ過程。設計出一種求得HARQ RTT的方案，仿真分析了不同配置和HARQ進程利用率對HARQ RTT的影響。本文將有助于對下行HARQ的研究和理解，并且可根據對比仿真圖中的HARQ RTT，為網絡側進行不同業務時的上下行配置提供參考。

1 3GPP TS 36.211 V9.0.1.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulations,2009

2 Dalhlman E,Parkvall S,Skold J,et al.3G Evolution:HSPA and LTE for Mobile Broadband,2nd Ed.Academic Press,2008

3 3GPP TS 36.321 V9.1.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Medium Access Control(MAC)Protocol Specification,2009

4 3GPP TS 36.213 V9.0.1.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures,2009

5 Susitaival R,Meyer M.LTE coverage improvement by TTI bundling.Proceedings of VTC 2009-Spring,Spain,2009